综述：玉米霜霉病抗性筛选方法的系统评价

《Genes》：Screening Methods for Downy Mildew Resistance in Maize: A Systematic Review Mable Chebichii Kipkoech, Arsenio Ndeve, Joao Bila, Pedro Fato, Suwilanji Nanyangwe, Kolawole Peter Oladiran and Constantino Francisco Lhamine

　　

背景/目的：由Peronosclerospora和Sclerophthora属物种引起的霜霉病（Downy Mildew, DM）是热带和亚热带地区玉米生产的主要限制因素，可导致30%至100%的产量损失。本系统评价综合了关于玉米霜霉病抗性筛选方法及其有效性、可靠性和相关标记的证据。方法：检索了PubMed、Google Scholar、ScienceDirect和CAB Abstracts数据库（最后检索日期为2025年10月22日），纳入评估表型或分子筛选方法的英文研究（1990-2025年）。使用RoB 2（Risk of Bias 2）工具评估偏倚风险，并遵循开放科学框架（Open Science Framework）注册的方案进行叙述性综合。结果：12项研究符合纳入标准，主要来自印度和柬埔寨。传播行系统（Spreader row systems，7项研究）和分生孢子喷雾接种（Conidial spray inoculation，6项研究）是最常见的田间方法，而温室三明治技术（Glasshouse sandwich technique）产生的病害压力最高。方法间相关性较强（r = 0.92–0.99），遗传力估计值范围为0.50至0.97。QTL定位在第2、3和6号染色体上发现了抗性基因座，其中第6号染色体在多个病原菌种中表现稳定。方法有效性的证据确定性为中等，分子标记的证据确定性为低。结论：现有的表型筛选方法能够可靠地区分抗性种质；然而，仍需标准化的操作规程、更广泛的地理验证以及独立的分子标记确认。

1. 引言

玉米（Zea mays L.）作为一种主要的粮食、饲料和工业原料来源，在全球农业中占据核心地位。然而，生物胁迫尤其是霜霉病（DM），严重制约了热带和亚热带地区玉米产量的提升。该病害由专性卵菌病原体Peronosclerospora和Sclerophthora属引起，具有显著的寄主特异性和地理分布差异。由于化学防治成本高昂且存在环境风险，宿主植物抗性被认为是最具成本效益和生态可持续的替代策略。尽管已有大量研究致力于玉米霜霉病抗性育种，并鉴定出多个数量性状位点（QTL），但关于不同筛选方案在不同病原体与环境组合下的性能比较，缺乏系统的综合评估。本系统评价旨在通过综合现有证据，明确最常用的筛选方法、评估其有效性与可靠性，并识别与抗性相关的表型或分子标记。

2. 方法

本研究严格遵循系统评价的首选报告项目（PRISMA）指南，并使用预注册方案以确保透明度。纳入标准限定为1990年至2025年间发表的英文原始研究，研究对象为玉米种质，评估对象包括田间表型筛选（如传播行、喷雾接种）、受控环境（温室）协议及分子方法（如QTL定位）。排除了仅关注非玉米寄主、病原菌流行病学或杀菌剂效力的研究。检索策略结合了医学主题词（MeSH）和自由词，涵盖PubMed、Google Scholar、ScienceDirect和CAB Abstracts四个数据库。研究筛选由两名评审员在Rayyan平台独立完成，分歧通过第三方仲裁解决。数据提取采用结构化Excel表格，内容包括研究方法、地理位置、病原体种类、发病率及QTL信息等。偏倚风险评估采用针对非随机研究的ROBINS-I工具，评估领域包括选择偏倚、实施偏倚、检测偏倚等。效应量指标主要包括发病率百分比、广义遗传力（h2）、皮尔逊相关系数（r）以及对数值比值比（LOD）和表型变异解释率（PVE）。

3. 结果

3.1. 研究筛选与特征

初检获得154条记录，经去重和筛选后最终纳入12项研究。地理分布显示印度贡献最多（5项），其次是柬埔寨（2项），其余分布于尼日利亚、印度尼西亚和菲律宾。这表明研究热点集中在南亚和东南亚。在筛选方法上，传播行系统（7项研究）和分生孢子喷雾接种（6项研究）最为普遍。分子方法方面，5项研究采用了QTL定位和qRT-PCR表达谱分析。

3.2. 偏倚风险评估

使用RoB 2框架评估显示，无研究被评为总体高风险，1项为低风险，11项为存在一定担忧。主要问题集中在随机化过程描述不清（D1）和结果测量时的检测偏倚（D4），后者源于所有研究均采用视觉评分且未报告评估者盲法，这在植物病理学表型研究中虽常见但可能引入主观误差。

3.3. 个体研究结果

在表型田间筛选中，Kling等人（尼日利亚）和Arulselvi等人（印度）的研究表明，田间病圃与温室筛选具有高度一致性（r = 0.99）。Yamada等人优化了接种参数，发现0.5叶期幼苗配合50 × 103分生孢子/mL为最佳组合。Hooda等人鉴定出3个自交系对P. sorghi和P. heteropogoni具有持续抗性。在联合筛选方面，Rashid等人发现温室三明治技术能产生最高且最均匀的发病压力，且高粱霜霉病（SDM）与拉贾斯坦霜霉病（RDM）田间试验间相关性显著（r = 0.922）。Jadhav等人报告了田间与温室间高达0.949的相关性。分子筛选结果显示，George等人在第6号染色体上鉴定出一个跨5种病原体稳定的QTL（似然比=56.7，PVE=13–31%）。Kim等人的研究则通过qRT-PCR鉴定出bZIP33、Bak1和Ppr等候选基因，其在抗病系中的表达量上调幅度达1050–2338%。

3.4. 综合分析结果

叙述性综合显示，易感对照基因型（特别是CM500）在所有试验中均表现出92–100%的发病率，证实了接种压力的充足性。传播行和三明治接种分别是田间和温室中最有效的鉴别方案。方法间和环境间的交叉相关性始终较高（r = 0.92–0.99）。广义遗传力估计值在0.50至0.97之间，表明表型变异主要由遗传因素决定。异质性分析指出，病原体种类（SDM季节性重现率为88%，RDM为76%）和筛选环境（温室CV低于田间）是造成结果差异的主要因素。证据确定性评估（GRADE）显示，方法有效性和可靠性的证据质量为中等，而标记-抗性关联的证据质量较低，主要受限于研究设计的局限性和缺乏独立的验证群体。

4. 讨论

4.1. 结果解读

本研究发现，传播行系统和温室三明治技术是经验证最有效的两种表型筛选方案。高环境间相关性（r > 0.92）表明抗性排名在不同环境下具有可转移性，这对于资源有限的育种计划具有重要实践意义，即可以利用温室进行非生长季的预筛选。分子水平上，第6号染色体QTL的稳定性支持了基础免疫通路而非小种特异性基因对基因互作在持久抗性中的作用。然而，高达0.99的相关系数需谨慎解读，因为未设盲的评估者可能在两个环境中产生期望偏差。此外，从成本效益看，传播行适合大规模初级筛选，而三明治技术适合精细评估。

4.2. 证据局限性

本评价的局限性在于所有研究均未实施评估者盲法，视觉评分的主观性可能影响结果的精确度。地理代表性不足也是一个突出问题，12项研究中有5项来自印度，撒哈拉以南非洲和拉丁美洲的代表缺失，限制了结论的普适性。此外，病原体覆盖不均，针对土壤传播的Sclerophthora rayssiae var. zeae的筛选方案验证缺失。不同研究间抗性阈值定义的不统一（如<10% vs <15%）也阻碍了定量合并分析。

4.3. 对实践与研究的启示

对于育种实践，建议在热带地区优先采用传播行筛选，并在具备设施的条件下辅以温室三明治技术进行脱季筛选。分子标记辅助选择（MAS）应聚焦于第3号（bnlg420侧翼）和第6号染色体的QTL。政策层面，呼吁国际机构（如CIMMYT、ICAR）协调制定统一的抗性分级标准和评估时间点。未来的研究必须填补地域空白，并在非洲等地验证现有方法的有效性。同时，强烈建议采用基于无人机（UAV）图像和机器学习算法的数字化表型分析来代替人工视觉评分，以减少主观偏倚。

5. 结论

本系统评价回答了关于玉米霜霉病抗性筛选的三个核心问题。首先，最常用的筛选方法是田间的传播行系统和分生孢子喷雾接种，以及温室的三明治技术。其次，这些方法在区分抗感种质方面高度有效（易感对照发病率>92%），且具有很高的可靠性（遗传力0.50–0.97，环境间相关性0.92–0.99）。最后，第6号染色体上的QTL被证明具有跨病原体种的稳定性，是分子标记辅助育种的优先靶点。综上所述，尽管现有表型方法成熟可靠，但仍迫切需要标准化的操作规程、更广泛的地理验证以及客观的数字化表型评估手段，以推动玉米霜霉病抗性育种的持续发展。